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Les humains expirent un mélange de gaz, principalement de l'azote (78 %), de l'oxygène (16 %) et du dioxyde de carbone (4 %), ainsi que des milliers de composés traces qui peuvent révéler des informations sur la santé et la qualité de l'air.
Notre système respiratoire aspire l’air dans les poumons, où l’oxygène se diffuse à travers les fines parois des alvéoles jusqu’au sang. Les cellules convertissent ensuite l’oxygène et le glucose en énergie, produisant du dioxyde de carbone comme sous-produit. Le sang ramène ce CO₂ vers les poumons, où il est expulsé avec l'azote et d'autres gaz non consommés.
En moyenne, nous utilisons et absorbons environ 4 % de l'oxygène que nous inspirons, laissant une proportion beaucoup plus grande de l'air inhalé à expirer.
Alors que l'azote domine à la fois l'air inhalé et expiré à 78 %, l'oxygène diminue de 21 % à l'entrée à 16 % à l'extérieur, et le dioxyde de carbone augmente considérablement de 0,04 % à l'entrée à environ 4 % à l'extérieur. L'argon reste stable à ~0,09 % dans les deux sens.
De la vapeur d'eau est également libérée, sa concentration variant en fonction de l'hydratation, de la température et du taux métabolique. Au-delà de ces gaz primaires, l’air expiré peut contenir jusqu’à 3 500 composés distincts, la plupart présents en quantités microscopiques. Ces molécules traces, notamment les composés organiques volatils, les alcanes et divers sous-produits métaboliques, offrent une fenêtre non invasive sur les processus physiologiques.
Les polluants environnementaux tels que les particules, la fumée de cigarette, le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote peuvent également être détectés dans l'haleine expirée. Les cils et le mucus des voies respiratoires agissent comme une première ligne de défense, emprisonnant de nombreux irritants avant qu’ils n’atteignent les alvéoles. Cependant, certaines particules et micro-organismes contournent ces mécanismes, entraînant potentiellement des infections ou des maladies respiratoires chroniques.
Étant donné que la composition de l'air expiré reflète à la fois le métabolisme interne et les expositions externes, les cliniciens utilisent de plus en plus l'analyse respiratoire comme outil de diagnostic pour des affections allant de l'asthme et de la maladie pulmonaire obstructive chronique aux troubles métaboliques et même à la détection précoce du cancer.